Реакція гідролізу деревини

Деревина містить целюлозу і геміцелюлози - природні високомолекулярні полімери - полісахариди, які шляхом реакції приєднання води можна знову перетворити в прості цукри. Ця реакція, звана гідролізом, дозволяє переробляти деревину в харчові та кормові продукти.

Реакція гідролізу деревини в чистій воді і звичайній температурі по суті не відбувається. Необхідними умовами гідролізу є підвищена температура і присутність каталізатора, в якості якого використовують сірчану або соляну кислоту. Розрізняють гідроліз розведеними і концентрованими кислотами. Для гідролізу розведеними кислотами, який проводять при температурі 175-190 ° С і відповідному тиску, застосовують сірчану кислоту концентрації 0,4-6,0%. В якості сировини використовують тирсу і спеціально подрібнену деревину у вигляді тріски. При гідролізі утворюються редуцирующие речовини, що представляють суму моносахаров і інших речовин, що містяться в гідролізаті. Вихід редукуючих речовин досягає 46-50% абсолютно сухої деревини [2]. Гідроліз розведеними кислотами характеризується великою витратою тепла, втратами Сахаров внаслідок розпаду і деяким забрудненням гідролізатів різними домішками.

Для гідролізу концентрованими сірчаною або соляною кислотами характерні низькі витрати тепла. В якості сировини використовують деревину хвойних і листяних порід, попередньо подрібнену в тріску. Вихід редукуючих речовин тут близький до теоретичного і досягає 55-68%. Гідроліз концентрованою соляною кислотою застосовують для виробництва глюкози. Спосіб гідролізу концентрованої сірчаної кислотою складніший, вимагає великих капітальних витрат і має більш високу собівартість продукції. Можливість варіння вологого деревної сировини, порівняно проста апаратура, мала витрата хімікатів забезпечили широке промислове поширення гідролізу деревини розбавленою сірчаною кислотою. Частинки деревини, звані твердою фазою, в процесі гідролізу можуть перебувати в стані спокою або руху. Звідси розрізняють періодичний і безперервний способи гідролізу. Розчин кислоти - рідка фаза також може знаходитися в спокої або русі. По взаємодії твердої та рідкої фаз розрізняють стаціонарний, зрошувальний і перколяційні гідроліз. У стаціонарному способі обидві фази нерухомі, в зрошувальному рідка фаза розпорошується і, зрошуючи деревні частинки, краплями стікає по їх поверхні вниз. У перколяційні способі частинки нерухомі і повністю занурені в рідину, яка безперервно фільтрується через шар гідролізуемого матеріалу. Процес пров кол я- ції - це безперервна подача в гідролізуемих сировину розчину кислоти при одночасному відборі утворюється гідролізату [21]. Більшість заводів працює із застосуванням періодичної перколяційного гідролізу, з рухом рідкої фази зверху вниз.

Технологічна схема гидролизного виробництва включає попереднє подрібнення деревної сировини в тріску, процес гідролізу, часткове охолодження отриманого гідролізату, інверсію або додатковий гідроліз. Технологічний процес гідролізу здійснюється у вертикальному циліндричній посудині звареної конструкції, званому гідролізаппара- т о м. Його виготовляють з товстої листової сталі з внутрішньої кислотостойкой футеровкою 2 (13) або корозійно стійких титанових сплавів. Для зменшення тепловтрат зовнішня поверхня апарату покривається теплоізоляцією. У промисловості застосовують гідролізаппарати об'ємом 18- 80 м. Які мають однакові конструктивні рішення, виключаючи лише деякі вузли та деталі [3, 21]. Верхня сферична горловина (див. 13) призначена для завантаження апарату тріскою або тирсою. Вона закривається герметичною кришкою 1 з дистанційним управлінням. У верхній частині апарату є штуцери для подачі розчину кислоти, здування пари, повітря і газів, а також для приєднання контрольно-вимірювальних приладів.

В середині циліндричної частини до корпусу апарата приварені дві лапи звареної конструкції, за допомогою яких він встановлюється на опорні балки. Конструкція однієї з лап пристосована для установки контрольного весомера 3. Інша лапа краями спирається на дві нерухомі шарнірні опори. Завдяки такій конструкції гідролізаппарат спирається на три точки, дві з яких і без листя. У нижній частині апарату є штуцери для відбору гідролізату, подачі пара і приєднання контрольно-вимірювальних приладів. Нижня горловина призначена для вивантаження лігніну.

Усередині апарату змонтована система перфорованих труб 4, призначених для відбору і фільтрації гідролізату.

Процес переробки сировини в гідролізним виробництві включає завантаження апарату подрібненої деревиною, подачу розчину кислоти, прогрів гідролізованого маси, власне гідроліз, відбір гідролізату, промивку лігніну водою, віджимання залишку гідролізату і видалення лігніну. Тріска або тирса подається в гідролізаппарат системою стрічкових транспортерів. Одночасно в апарат подають воду і кислоту в необхідній кількості і співвідношенні. Нагрівання вмісту в апараті і підйом тиску здійснюють подачею пара за програмою. В процесі прогріву порісходіт гідроліз легкогідролізуемого полісахаридів. Після досягнення заданих значень температури і тиску починається процес перколяції, при якому виводиться цукор, що утворився при підігріві, і гідролізу- ються трудногідролізуемие полісахариди. Ця операція включає подачу води і сірчаної кислоти через змішувач і одночасно відбір гідролізату. Зміни температури, а також витрати кислоти і води задані відповідним режимом. Відбір гідролізату здійснюють в залежності від зміни маси в гідролізаппарате, яка визначається весомером. Подачу розчину кислоти припиняють незадовго до закінчення процесу гідролізу. Потім гарячою водою промивають лігнін. Для його видалення з апарату тиск знижують до 0,6-0,7МПа і відкривають клапан нижньої горловини. Лігнін з великою швидкістю спрямовується в циклон, де відділяється від парів вологи і за допомогою вигрузочного механізму надходить на виносної транспортер. За зовнішнім виглядом лігнін є однорідною темно-буру масу. Оборот гідролізаппарата місткістю 70 м3 становить 310 хв. Гідролізат, що відбирається в процесі перколяції і віджимання, містить 3-4% простих Сахаров. Наявність в деревині двох типів полісахаридів - гексо- занов і пентозанов - обумовлює вихід різних Сахаров. В процесі гідролізу гексозанов утворюються гексозних цукру глюкоза, маноза і галактоза (2,36%), а пентозанов - ксилоза і арабиноза (0,84%). Гексозних цукор піддають біохімічної переробки, в результаті чого отримують етиловий спирт. Пентозний цукор, що не застосовується для отримання спирту методом бродіння, переробляють на кормові дріжджі. За такою схемою комплексного використання деревної сировини працюють багато гідролізні заводи.

Поряд з корисними речовинами, гідролізат містить ряд домішок, що гальмують процес вирощування дріжджів. До таких речовин відносяться сірчана кислота, фурфурол та інші продукти розпаду. Для подальшого використання гідролізату в процесах зброджування або вирощування дріжджів потрібно можливо повне видалення з нього цих домішок. Процес підготовки гідролізату для подальшої переробки включає нейтралізацію гідролізату, зниження температури, зменшення вмісту фурфуролу до мінімальних значень, видалення колоїдних і інших речовин.

З гідролізаііарата отриманий гідролізат по трубопроводу подається до колектора і далі на охолодження. Зниження температури і тиску здійснюється в дві-три ступені в послідовно з'єднаних испарителях. Після скидання тиску і охолодження гідролізат надходить в нейтралізатор, де обробляється вапняним молоком і аміачною водою. Отриманий продукт називають нейтралізатом. Після додаткового очищення і подальшого охолодження нейтралізат надходить в переробку в дріжджовий цех.

При гідролізі розведеної сірчаною кислотою з 1 т абсолютно сухої деревини можна отримати 200-235 кг дріжджів і 7-8 кг фурфуролу. При гідролізі концентрованою соляною кислотою вважається можливим отримати 200-260 кг глюкози і 165-200 кг дріжджів [2].